在“生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)”教學(xué)中發(fā)展科學(xué)思維及強(qiáng)化生命觀念

張樹艷 （北京市懷柔區(qū)第一中學(xué) 北京 101400）

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》明確提出，生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任[1]。教師要在課程標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，在教學(xué)實(shí)踐中促進(jìn)學(xué)生發(fā)展這4個(gè)維度的核心素養(yǎng)。在教學(xué)中鼓勵(lì)學(xué)生基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)，運(yùn)用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模等方法，探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，審視或論證生物學(xué)社會(huì)議題?！吧鷳B(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)”一節(jié)需要學(xué)生通過在細(xì)胞、個(gè)體、種群等生命層次上分析能量流動(dòng)過程，從而類比推理、歸納總結(jié)出生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的過程。此外，需要學(xué)生建立能量流動(dòng)模型，總結(jié)能量流動(dòng)規(guī)律，并應(yīng)用解決實(shí)際問題，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的典型案例。

物質(zhì)與能量觀的形成，需要一個(gè)認(rèn)知和發(fā)展的過程?！吧鷳B(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)”教學(xué)內(nèi)容比較抽象，以往學(xué)生真正理解生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的概念和應(yīng)用存在一定的困難。

基于以上分析，在教學(xué)中指導(dǎo)學(xué)生通過科學(xué)研究方法和建立能量流動(dòng)概念模型和數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行定性和定量分析總結(jié)出能量流動(dòng)規(guī)律，應(yīng)用規(guī)律對糧食危機(jī)情況下選擇合理的膳食結(jié)構(gòu)作出合理的分析和判斷，引導(dǎo)學(xué)生用生命觀念認(rèn)識(shí)生命世界、解釋生命現(xiàn)象并學(xué)以致用，解決生產(chǎn)、生活中的實(shí)際問題。

1 創(chuàng)設(shè)情境，支撐概念

通過“荒島求生”的問題創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生設(shè)身處地地思考，積極發(fā)言，各抒己見。通過討論，學(xué)生主要得出A、B 2種策略（略）。討論交流過程中認(rèn)識(shí)到，獲取食物維持生命是因?yàn)槭澄餅槿梭w提供了能量，初步建立物質(zhì)與能量觀。提出問題：為什么能量能維持人體的生命？

2 類比推理各生命系統(tǒng)層次，初步形成概念

2.1 細(xì)胞中能量流動(dòng)過程 細(xì)胞和個(gè)體水平的物質(zhì)能量變化是群體水平物質(zhì)能量變化的基礎(chǔ)，所以，首先引導(dǎo)學(xué)生分析細(xì)胞中能量的輸入和輸出過程（圖1），明確動(dòng)、植物細(xì)胞通過光合作用和呼吸作用等，進(jìn)行物質(zhì)的合成伴隨能量的儲(chǔ)存，物質(zhì)分解伴隨能量的釋放，以及光能、化學(xué)能和熱能之間的轉(zhuǎn)化，并意識(shí)到能量作為動(dòng)力推動(dòng)了生命活動(dòng)的進(jìn)行，推動(dòng)了物質(zhì)的合成與分解，從而解釋了生命的維持需要物質(zhì)中的能量。

2.2 個(gè)體和種群水平上的能量流動(dòng)過程 學(xué)生根據(jù)對細(xì)胞的分析，得出動(dòng)、植物個(gè)體及種群發(fā)生的能量輸入、轉(zhuǎn)化和散失與細(xì)胞是一致的（圖2）。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的研究方法 生態(tài)系統(tǒng)是生物群落和無機(jī)環(huán)境相互作用的有機(jī)整體，生物種類繁多，發(fā)生在生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)，除了各種群能量輸入、轉(zhuǎn)化和散失的過程，還多了一個(gè)生物之間能量傳遞的過程。在此教學(xué)環(huán)節(jié)中，展示一個(gè)食物網(wǎng)的圖片，使學(xué)生意識(shí)到生態(tài)系統(tǒng)生物之間能量傳遞過程比較復(fù)雜。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)不同生物能量輸入和輸出的共性，將生物按營養(yǎng)級(jí)歸類，簡化研究生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的能量傳遞過程，從而學(xué)會(huì)化繁為簡的分析方法，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。了解分析生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)過程最好在群體水平上研究，強(qiáng)化系統(tǒng)觀，同時(shí)也初步建立生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)的概念。

3 生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)模型的建立、研究及檢驗(yàn)

3.1 建立生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)模型，發(fā)展科學(xué)思維并形成概念

1）初步建立能量流動(dòng)概念模型。指導(dǎo)學(xué)生小組合作，利用卡片和箭頭初步構(gòu)建出能量流經(jīng)第一營養(yǎng)級(jí)、第二營養(yǎng)級(jí)的模型，具體分析每個(gè)營養(yǎng)級(jí)能量流動(dòng)的來源與去路，并展示交流（圖3）。

2）詳解2個(gè)營養(yǎng)級(jí)能量的流動(dòng)過程模型。借助PPT（圖4）詳細(xì)分析第一營養(yǎng)級(jí)能量來源與去路，重點(diǎn)解釋學(xué)生模型中存在的問題：攝入量、同化量與糞便量之間的關(guān)系，突破教學(xué)難點(diǎn)。

3）簡化修改能量流動(dòng)模型。指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)圖解的分析，修改模型中存在的問題，簡化能量流經(jīng)各營養(yǎng)級(jí)的整體模型（圖5）。學(xué)生通過從初步建立到自己修改優(yōu)化的活動(dòng)中，不但發(fā)揮了主體地位，避免了被動(dòng)地接受學(xué)習(xí)，建立了生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)模型，還很好地滲透了建模的思想方法。

3.2 研究模型，歸納能量流動(dòng)的概念和規(guī)律 根據(jù)模型和問題驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生思考在生物群落與無機(jī)環(huán)境之間，以及在生物群落內(nèi)部能量是怎樣流動(dòng)的。經(jīng)過逐步建立模型和問題的引導(dǎo)，學(xué)生可很好地理解通過生產(chǎn)者的光合作用光能從無機(jī)環(huán)境輸入至生物群落，轉(zhuǎn)化為有機(jī)物中的化學(xué)能沿著營養(yǎng)級(jí)逐級(jí)傳遞，最后，通過生物的呼吸作用，將有機(jī)物分解化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能散失到無機(jī)環(huán)境，不能再被重新利用。進(jìn)而總結(jié)出能量流動(dòng)是指生態(tài)系統(tǒng)中能量的輸入、傳遞、轉(zhuǎn)化和散失的過程，同時(shí)發(fā)現(xiàn)能量單向流動(dòng)不可逆、不循環(huán)，以及能量流經(jīng)各營養(yǎng)級(jí)有能量散失，逐級(jí)遞減的規(guī)律[2]。該過程中培養(yǎng)了學(xué)生運(yùn)用模型分析問題的科學(xué)思維。

3.3 檢驗(yàn)?zāi)芰苛鲃?dòng)模型，驗(yàn)證能量流動(dòng)規(guī)律 模型是否準(zhǔn)確、規(guī)律是否正確需要實(shí)踐檢驗(yàn)，從定性分析到定量研究是科學(xué)深入發(fā)展的必然，由此引出林德曼的研究。指導(dǎo)學(xué)生按能量流動(dòng)模型內(nèi)容處理教材（人教版選擇性必修2《生物與環(huán)境》）第56頁賽達(dá)伯格湖能量流動(dòng)數(shù)據(jù)（表1）。

表1 賽達(dá)伯格湖能量流動(dòng)模型數(shù)據(jù)表[單位：J/（cm2·a）]

學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了“單向流動(dòng)、逐級(jí)遞減”的能量流動(dòng)特點(diǎn)，同時(shí)通過定量分析發(fā)現(xiàn)各營養(yǎng)級(jí)及生態(tài)系統(tǒng)能量輸入總量和輸出總量不相同。教師引導(dǎo)學(xué)生分析得出，在林德曼調(diào)查期間存在“未利用的能量”，即未被自身呼吸作用消耗，也未被后一個(gè)營養(yǎng)級(jí)和分解者利用的能量。師生共同完善表格內(nèi)容（表2），教師引導(dǎo)學(xué)生建立數(shù)學(xué)模型A=R+V+F（+T），證實(shí)能量流經(jīng)賽達(dá)伯格湖每個(gè)營養(yǎng)級(jí)及流經(jīng)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，遵循能量守恒定律，為后面學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)能量輸入、輸出平衡的問題奠定基礎(chǔ)。

表2 賽達(dá)伯格湖能量流動(dòng)數(shù)據(jù)補(bǔ)充表[單位：J/（cm2·a）]

引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步對賽達(dá)伯格湖數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算能量在2個(gè)營養(yǎng)級(jí)之間的傳遞效率，發(fā)現(xiàn)相鄰2個(gè)營養(yǎng)級(jí)能量傳遞效率在10%～20%，真正理解能量流動(dòng)逐級(jí)遞減的規(guī)律。通過數(shù)據(jù)的整理和分析，提高學(xué)生定量分析問題的能力，發(fā)展邏輯思維。

4 應(yīng)用能量流動(dòng)規(guī)律解決實(shí)際問題，滲透節(jié)約糧食的理念

問題1：分析荒島求生的最佳生存策略。策略1，應(yīng)該先吃雞，再吃玉米；策略2，增加了食物鏈的長度，能量逐級(jí)遞減，最后使人獲得的能量較少。數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證：物質(zhì)是能量的載體，假設(shè)單位質(zhì)量的生物體所含能量相同，按能量傳遞效率為20%計(jì)算，且策略2有1/3的玉米給雞吃，2/3給人吃，求這2種策略分別使人增加多少物質(zhì)中的能量？

問題2：后疫情時(shí)代，許多國家迎來了糧食危機(jī)，節(jié)約糧食、反對浪費(fèi)已是一種全球性的趨勢。有人說多吃素，少吃肉，也是節(jié)約糧食的一種具體行為。結(jié)合荒島求生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，你是否支持這種說法，為什么？

通過這2個(gè)問題，使學(xué)生意識(shí)到合理膳食、多吃素食不僅有利于自身的身體健康，也減少了大量飼養(yǎng)動(dòng)物而消耗大量的糧食，減少饑餓人口的數(shù)量。而且該教學(xué)環(huán)節(jié)也使本節(jié)課做到首尾呼應(yīng)，形成閉合。

5 教學(xué)反思

教學(xué)圍繞“提高生物學(xué)科學(xué)素養(yǎng)”制定和實(shí)施教學(xué)目標(biāo)，教學(xué)中以問題串引導(dǎo)學(xué)生分析各生命系統(tǒng)層次能量流動(dòng)的過程，使學(xué)生從微觀到宏觀認(rèn)識(shí)能量流動(dòng)，引導(dǎo)處理分析數(shù)據(jù)、建構(gòu)模型、形成概念，并在概念學(xué)習(xí)中強(qiáng)化系統(tǒng)觀、物質(zhì)與能量觀，提升科學(xué)思維。在解決實(shí)際問題中培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任感。